Al igual que las matemáticas confusas que subyacen en la computación cuántica, algunas de las expectativas que surgen en torno a esta tecnología aún poco práctica pueden marearlo. Si miras por la ventana de un vuelo al Aeropuerto Internacional de San Francisco en este momento, puedes ver una neblina de ruido cuántico flotando sobre Silicon Valley. Pero el enorme potencial de la computación cuántica es innegable y el hardware necesario para aprovecharlo avanza rápidamente. Si alguna vez hubo un momento ideal para devanarse los sesos con la computación cuántica, ahora es el momento. Di “superposición de Schrödinger” tres veces rápidamente y podemos sumergirnos de inmediato.
Explicar la historia de la computación cuántica.
La prehistoria de la computación cuántica comenzó a principios del siglo XX, cuando los físicos comenzaron a sentir que estaban perdiendo el control de la realidad.
Primero, se ha demostrado que las explicaciones aceptadas del mundo subatómico son incompletas. Los electrones y otras partículas no viajaban con tanta precisión como las bolas de billar newtonianas, por ejemplo. A veces actuaban como una ola en su lugar. La mecánica cuántica ha surgido para explicar tales peculiaridades, pero ha presentado sus propias preguntas inquietantes. Para tomar solo un ejemplo sobre las arrugas de las cejas, esta nueva matemática ha indicado que existen propiedades físicas del mundo subatómico, como la posición de los electrones. posibilidades antes de que se noten. Antes de medir la ubicación de un electrón, no está ni aquí ni allá, sino potencial en todas partes. Puedes pensar en ello como una moneda de veinticinco centavos dando vueltas por el aire. Antes de que aterrice, la moneda de veinticinco centavos no es ni pies ni cabeza, pero hay potencial para ambos.
Si encuentra esto confuso, está en buena compañía. Un año antes de ganar el Premio Nobel por sus contribuciones a la teoría cuántica, Richard Feynman de Caltech comentó que “nadie entiende la mecánica cuántica”. La forma en que experimentamos el mundo es incompatible. Pero algunas personas lo han captado lo suficientemente bien como para redefinir nuestra comprensión del universo. Y en la década de 1980, algunos de ellos, incluido Feynman, comenzaron a preguntarse si los fenómenos cuánticos, como la existencia probabilística de partículas subatómicas, podrían usarse para procesar información. La teoría básica o modelo para las computadoras cuánticas que tomó forma en las décadas de 1980 y 1990 todavía guía a Google y otras empresas que trabajan en la tecnología.
Antes de revolcarnos en los turbios bajíos de la computación cuántica 0.101, debemos refrescar nuestra comprensión de las viejas computadoras ordinarias. Como sabe, los relojes inteligentes, los iPhone y la supercomputadora más rápida del mundo hacen lo mismo: realizan cálculos codificando información como bits digitales, también conocidos como 0 y 1. Una computadora puede encender y apagar el voltaje en un circuito para representar 1 y 0, por ejemplo.
Las computadoras cuánticas también realizan cálculos usando qubits. Después de todo, queremos que se conecten a nuestros datos y a nuestras computadoras. Pero los bits cuánticos, o qubits, tienen propiedades únicas y poderosas que permiten que un grupo de ellos haga mucho más que un número equivalente de bits convencionales.
Los qubits se pueden construir de diferentes maneras, pero todos representan 0 y 1 digitalmente utilizando las propiedades cuánticas de algo que se puede controlar electrónicamente. Los ejemplos comunes, al menos entre un segmento muy selecto de la humanidad, incluyen circuitos superconductores o átomos individuales que revolotean dentro de campos electromagnéticos. El poder mágico de la computación cuántica es que este arreglo permite que los cúbits hagan más que cambiar entre 0 y 1. Hágalo bien y puede transformarse en un modo extra difuso llamado superposición.
Los cables de bucle conectan la corredera en la parte inferior del chasis a su sistema de control.amy lombardo
Es posible que haya escuchado que el qubit en superposición es ambos 0 y 1 al mismo tiempo. Esto no es del todo cierto ni es del todo incorrecto. El qubit en la superposición contiene algunos probable que ser 1 o 0, pero no representa ningún estado, al igual que nuestro cuadrante que fluctúa en el aire no es ni cabeza ni cola, pero hay potencial para ambos. En el mundo simplificado y perfecto de esta explicación, lo importante es saber que las matemáticas de la superposición describen la probabilidad de detectar un 0 o un 1 al leer un qubit. El proceso de leer el valor de un qubit lo colapsa de un revoltijo de posibilidades a un estado cristalino, análogo a una moneda que aterriza en una mesa con un lado terminalmente hacia arriba. Una computadora cuántica puede usar una colección de qubits en superposiciones para jugar con los diferentes caminos posibles a través de un proceso computacional. Si se hace correctamente, los punteros a las rutas incorrectas se cancelan, dejando la respuesta correcta cuando los qubits se leen como 0 y 1.
Para algunos problemas que consumen demasiado tiempo para las computadoras convencionales, esto permite que una computadora cuántica encuentre una solución en muchos menos pasos de los que necesitaría una computadora convencional. El algoritmo de Grover, un popular algoritmo de búsqueda cuántica, puede encontrarlo en una guía telefónica de 100 millones de nombres con solo 10,000 operaciones. Si un algoritmo de búsqueda clásico almacenara en caché todos los listados para encontrarlo, requeriría un promedio de 50 millones de operaciones. Para los algoritmos de Grover y algunos otros algoritmos cuánticos, cuanto mayor es el problema inicial, o la guía telefónica, más queda una computadora convencional en el polvo digital.
La razón por la que no hay computadoras cuánticas útiles hoy en día es que los qubits son muy difíciles. Los efectos cuánticos que tienen que controlar son muy sensibles, y el calor o el ruido perdidos pueden cambiar 0 y 1 o borrar una superposición importante. Los qubits deben protegerse cuidadosamente y operar a temperaturas extremadamente frías, a veces solo fracciones de grado por encima del cero absoluto. Un área importante de investigación involucra el desarrollo de algoritmos para que una computadora cuántica corrija sus errores, causados por desequilibrios en los qubits. Hasta ahora, estos algoritmos han sido difíciles de implementar porque requieren tanta potencia de procesador cuántico que queda poco o nada para resolver los problemas. Algunos investigadores, sobre todo en Microsoft, esperan evitar este desafío desarrollando un tipo de qubit a partir de colecciones de electrones conocido como qubit topológico. Los físicos esperan que los qubits topológicos sean más robustos contra el ruido ambiental y, por lo tanto, menos propensos a errores, pero hasta ahora han tenido problemas para crear uno. Después de anunciar un gran avance en el hardware en 2018, los investigadores de Microsoft se retractaron de su trabajo en 2021 después de que otros científicos revelaran errores experimentales.
Sin embargo, las empresas han demostrado una capacidad prometedora con su hardware limitado. En 2019, Google usó una computadora cuántica de 53 qubits para generar números que siguen un patrón matemático específico más rápido que cualquier supercomputadora. La demostración inició una serie de los llamados experimentos de “ventaja cuántica”, en los que un grupo académico en China anunció una demostración propia en 2020, y la startup canadiense Xanadu anunció su experimento en 2022. (Aunque los experimentos conocidos de “supremacía cuántica” Durante mucho tiempo, muchos investigadores optaron por cambiar el nombre para evitar que se hiciera eco de la “supremacía blanca”). una carrera que impulsa tanto la computación cuántica como la clásica.
Mientras tanto, los investigadores lograron simular pequeñas partículas utilizando solo unos pocos qubits. Estas simulaciones no hacen nada más allá del alcance de las computadoras clásicas, pero podrían hacerlo si se ampliaran, lo que podría ayudar a descubrir nuevos productos químicos y materiales. Si bien ninguna de estas demostraciones ofrece un valor comercial directo todavía, han impulsado la confianza y la inversión en computación cuántica. Después de desconcertar a los científicos informáticos durante 30 años, la computación cuántica práctica puede no estar muy cerca, pero está empezando a verse mucho más cerca.